2-第二章-无线信道无线电波传播与预测模型

第二章无线信道无线电波传播与预测模型1大连交通大学动车学院•2.1.电磁波的传播方式•2.2．电磁波的传播机制•2.3．信道容量•2.4．无线信道的衰落•2.5.多径信道的描述•2.6．电波传播损耗预测模型2大连交通大学动车学院2.1电磁波的传播方式大连交通大学动车学院3用于通信的电磁波频率都比较高，这是由天线定理所决定的。天线定理——为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10例如：对于频率为3000Hz的信号，需要的天线尺寸为：8431131010101010310Clmf对于频率为30MHz的信号，需要的天线尺寸为：861131011010103010Clmf大连交通大学动车学院4(1)地波频率：2MHz以下的低频电磁波绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百～数千km用于：AM广播及海上无线广播地球大连交通大学动车学院5(2)天波：是电离层对发送信号的反射形成的•频率：2M～30MHz的高频电磁波，能被电离层反射•电离层高度：60～400km•单跳最大距离：4000km•多跳可以传播10000km以上，可以环球•用于短波广播、短波通信电台、业余无线电台大连交通大学动车学院6(3)视线传播•频率高于30MHz的电磁波，其只能在自由空间沿视距传输•两点间的传输距离一般为40－50km•长距离通信需要在中间建立多个中继站。•用于蜂窝通信、卫星通信。地球2.2电磁波的传播机制•移动通信信道是指基站天线与移动用户天线之间的传播路径（下行、上行）。•移动通信的传播环境比较复杂大连交通大学动车学院7地貌人工建筑天气电磁干扰移动速度直射反射绕射散射1.直射（自由空间的电波传播）大连交通大学动车学院8自由空间的传播损耗在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗接收功率Pr为接收功率，Pt为发射功率，以球面波辐射,λ为工作波长，Gt，Gr分别发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离接收功率（接收电平）单位：dBm或dBWPr(dBm)=10lgPr(mW)Pr(dBW)=10lgPr(W)22(4)rttGPGdrP大连交通大学动车学院9自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式(dB)rtPPL24dL)(log20)(log2045.32kmdMHzfLfc•例2.1对于自由空间路径损耗模型，求使接收功率达到1dBm所需的发射功率。假设载波频率f=5GHz，天线增益为单位增益，Gt=Gr=1,距离分别为d=10m及d=100m。解：由大连交通大学动车学院)(log20)(log2045.32kmdMHzfLd=10m时，[L]=66.43dBrtPPL∵∵()()[]67.43trPdBmPdBmLdBm同理：d=100m时，[L]=126.43dB()127.43tPdBmdBm大连交通大学动车学院112.反射反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大得多的物体时就会发生反射两径传播模型ACBhmhbd直射波反射波发射天线接收天线221Re4jrtrtPPGGd其中，相位差l2()lACCBABR为反射系数大连交通大学动车学院123.绕射电磁波遇到尖锐的边缘会发生绕射惠更斯－菲涅尔原理波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。说明在P’点处的次级波前中，只有夹角为θ的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的θ角，θ将在0º到180º之间变化θ越大，到达接收点辐射能量越大T90RP”P’Pd扩展波前次级波前2/2d/2d大连交通大学动车学院13自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。图中S1是空间的一点（其路径长度QS1+PS1=d+λ/2），其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：dddF/211第一菲涅尔区其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。大连交通大学动车学院14(a)负余隙；(b)正余隙菲涅尔余隙图1图2大连交通大学动车学院15例2.2设图1(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：先求出自由空间传播的损耗Lfs为dBggLfs5.99150201)105(20145.32][求第一菲涅尔区半径x1为mddddx7.811015101105234321211由图2查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB,所以电波传播的损耗L为dBLLfs1165.16][][大连交通大学动车学院164.散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。例如树叶、街道标志和灯柱等都会引起散射roughss散射损耗系数光滑表面的反射场强大连交通大学动车学院172.3信道容量(1)信道容量（ChannelCapacity）:信道上可以被传输的最大速率，称为信道容量Ct(2)数据率(datarate)：数据能够进行通信的速率，bit/s(3)带宽(bandwidth)：频带宽度，Hz(4)噪声(noise)：危害：使数字信号发生误码；限制信息传输速率；分类：人为噪声；自然噪声（热噪声/高斯白噪声）(5)误码率(errorrate)：差错发生率(6)信噪比(SNRsignaltonoiseratio)：衡量信号功率相对于噪声功率的强度，值越大说明信号越好SNR(dB)=10lg(Ps/PN)=20lg(Vs/VN)无噪声的完美信道—奈奎斯特带宽高斯白噪声无处不在；无噪声下，数据率的限制来自带宽，Ct=2BGSM200kHz的频点带宽，其奈奎斯特带宽的最大传输速率可达400kbit/s，而实际的传输速率为270.833kbit/s大连交通大学动车学院18有噪声的真实信道——香农容量带宽与信噪比共同决定信道容量大连交通大学动车学院192log(1)tSCBNB为带宽(Hz)；S为信号功率(W)；N为噪声功率(W)20log(1)tSCBnBn0为噪声功率谱密度(W/Hz)B-∞时,则Ct-1.44S/n0S-∞或n0-0时,则Ct-∞大连交通大学动车学院202.4无线信道的衰落大尺度衰落（长期慢衰落）小尺度衰落（短期快衰落）描述长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动原因距离衰减或障碍物引起的阴影衰落多径效应与多普勒效应引起的影响业务覆盖区域，基站规划信号传输质量，系统设计大尺度衰落与小尺度衰落接收功率小尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落•路径传播损耗•遵循自由空间传播模型，反映了在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势•阴影效应•电磁波受到建筑物等的阻挡而产生的损耗•反映了在中等范围内（数百波长量级）的接受信号电平平均值的变化趋势大连交通大学动车学院21大连交通大学动车学院22路径传播损耗和阴影衰落分贝式式中,r移动用户和基站之间的距离ζ由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布m路径损耗指数实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的10(,)10mlrr10log(,)10loglrmr•反映微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势•多径效应•接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射或绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样，所接受到的信号是上述各信号的矢量和•多普勒效应•当移动体以速度v移动时，会产生多普勒频移，多径分量会造成接收信号的多普勒频率扩散，增加信号带宽大连交通大学动车学院23小尺度衰落•多径效应的危害大连交通大学动车学院24大连交通大学动车学院25•多普勒频移若移动台朝向入射波方向运动，则接收信号频率上升；若移动台背向入射波方向运动，则接收信号频率下降大连交通大学动车学院26v入射电波cosdvf•例2.3若一发射机发射载频为1850MHz，一辆汽车以每小时60英里的速度运动，计算在以下情况下接收机的载波频率。（a）汽车沿直线朝向发射机运动；(b)汽车沿直线背向发射机运动;(c)汽车运动方向与入射波方向成直角。大连交通大学动车学院27已知载频fc=1850MHz,所以波长3×1081850×106λ=c/fc==0.162m车速v=60mph=26.82m/s解：大连交通大学动车学院28MHzfffdc00016.1850162.082.261018506(a)汽车沿直线朝向发射机运动时，多普勒频移为正接受频率为：(b)汽车沿直线背向发射机运动时，多普勒频移为负接受频率为：MHzfffdc999834.1849162.082.261018506(c)汽车运动方向与入射波方向成直角时，θ=90°，cosθ=0,接受频率与发射频率相同，为1850MHz描述多径信道的主要参数多径信道的统计分析衰落特性的特征量大连交通大学动车学院292.5多径信道的描述描述多径信道的主要参数大连交通大学动车学院30多径环境移动平台传输信号在时间、频率和角度上有色散PDPDPSDPASPDPPowerDelayProfile功率延迟分布DPSDDopplerPowerSpectralDensity多普勒功率谱密度PASPowerAzimuthSpectrum角度谱大连交通大学动车学院311时间色散参数和相关带宽时间色散参数平均附加时延rms时延扩展最大附加时延扩展(XdB)kkkkkPP)()(22)(EkkkkkPPE)()()(22多径能量从初值衰减到比最大能量低X(dB)处的时延大连交通大学动车学院32大连交通大学动车学院33相关带宽多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关（相关带宽内信道特性没有明显变化）。这一频率间隔称为“相关”带宽（Bc）大连交通大学动车学院34两径情况接收信号等效网络传递函数信道的幅频特性•当时，信号同相叠加，出现峰点当时，信号反相相减，出现谷点•两相邻场强为最小值的频率间隔与两径时延成反比多径情况应为rms时延扩展•是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来•说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关•r2)(t()ixt0()rt(,)cHjtr1r1)(2tn)()12(tn()0()()(1)jtirtxtre()0()(,)1()jtcirtHjtrext(,)1cos()sin()Atrtjrt()2tn()(21)tn12()cBt)(t)(t()t()t12cB大连交通大学动车学院35衰落的分类及判定判定由信道和信号两方面决定分类不同频率分量的衰落信号波形频率选择性衰落不一致失真非频率选择性衰落（平坦衰落）相关的一致的不失真信号带宽小于信道相关带宽BsBc信号带宽远大于信道相关带宽BsBc平坦衰落频选衰落大连交通大学动车学院362频率色散参数和相关时间多普勒扩展设发射载频为fc,考虑多普勒效应，则接受到的频率为cosmcfff接受信号的功率谱则扩展至mcmcffff~mf为最大多普勒频移v大连交通大学动车学院37相关时间（Tc）指一段时间间隔，在此时间段，信道特性没有明显变化相关时间表征了时变信道对信号的衰落节拍经验公式mcfT423